风电齿轮箱行星轮组件轴向游隙偏大原因分析

 

　　风电齿轮箱将叶轮受风力作用旋转而产生的动力传递给发电机发电，是风力发电设备的关键部件。为满足发电机额定转速需求，风电齿轮箱多采用多级行星齿轮传动方式[1]。在风电齿轮箱行星轮传动组件中，满装圆柱滚子轴承得到广泛应用，因这种轴承完全为了承受重载荷而设计的，在同样宽度下，这种轴承与传统型带保持架轴承相比，具有极高的承载能力，尤其是承受较大的径向载荷，同时其径向截面小，可以节省较大的空间，结构紧凑[2-3]，行星传动机构作为风电齿轮箱关键部件，具有传动比大、结构紧凑、功率分流等优点，在风电齿轮箱中广泛采用[4]。因承受无规律的风力作用及强陈风冲击变载荷作用[5-8， 9]，所以行星轮系传动时的均载性水平对提高风电齿轮箱传动可靠性具有重要意义，行星轮组件轴向游隙是保证实现行星轮系中太阳轮浮动的前提，是提高行星轮系传动均载性水平[10-11]、使用寿命的关键。

 

　　2 问题的提出

 

　　公司某大型风电齿轮箱行星架组件中的行星轮组件结构，如图1 所示。
 

 

　　1 个行星架组件包括3 件行星轮组件。1 件行星轮组件包括1 件行星轮、1 件配油环、2 套满装双列圆柱滚子轴。其配合关系为：行星轮内孔与满装双列圆柱滚子轴承外圈为过盈配合，过盈量为（0.03——0.06）mm，配油环处在两列圆柱滚子轴承内圈之间，配油环起着分配两列轴承润滑用油及控制行星轮组件轴向游隙作用。行星轮组件轴向游隙设计要求范围值为：（0.4——0.6）mm。行星轮组件装配完成后，测量3 个行星轮组件轴向游隙时，测量值结果分别为： 1.20mm、1.25mm、1.18mm，则3 个游隙值偏大，不符合设计要求。

 

　　3 原因分析

 

　　在图1 中设配油环厚度值为C，行星轮内孔台阶厚度值为H，则易知行星轮组件轴向游隙的保证是由行星轮配油环厚度值C 得以实现的，如配油环厚度值C 小于等于行星轮孔内台阶厚度值C，即C燮H，则行星轮组件轴向游隙为0；如C＞H，则游隙为（C-H）。

 

　　经分析造成行星轮组件轴向游隙偏大原因主要有4 个方面：测量方式、测量仪器、装配工艺和轴承内外圈高度差影响。

 

　　3.1 测量方式

 

　　行星轮组件轴向游隙测量原理图，如图2 所示。测量方式是由轴承供应商建议并推荐，且公司在其它相似结构行星轮组件轴向游隙测量中成功运用，因此可以排除测量方式带来的游隙值偏大。
 

 

　　3.2 测量仪表

 

　　为排除测量仪表的原因，分别用3 个百分表测量3 次，测量结果值未发生显着变化，因此可以排除测量仪表带来的游隙值偏大。

 

　　3.3 装配工艺

 

　　行星轮组件装配前如未清理配油环端面上的高点或异物，则会造成行星轮组件轴向游隙偏大。针对装配工艺原因可能造成游隙值不符合设计要求的问题，装配工艺作了严格的技术要求，如存在高点或异物则需清理，配油环配磨后其端面平行度误差不超过0.02mm。出现问题后，经确认装配过程符合装配工艺技术要求，因此可以排除装配原因带来的游隙值偏大。

 

　　3.4 轴承内外圈高度差

 

　　为排除轴承内外圈高度差对行星轮组件轴向游隙的影响，假设轴承内外圈存在Δh 的高度差，如图3 所示。
 

 

　　由图1，图3 分析可知，配油环最终厚度值C=H+（0.4——0.6）mm是基于轴承内外圈高度差很少，即高度差燮0.03mm，否则需要考虑轴承内外圈高度差对配油环最终厚度值的影响，即对轴承游隙的影响。轴承结构图，如图4 所示。造成轴承内外圈高度差的原因有：（1）内外圈挡边厚度不相等（T1≠T2）而宽度相等（B1=B2）或相差不超过0.03mm；（2）T1=T2或相差不超过0.03mm，而B1≠B2；（3）T1≠T2，B1≠B2。无论是哪种原因，按图3 所示方式均能准确测量出超过0.03mm 的内外圈高度差。

 

　　由表1 可知3 个行星轮组件中，未考虑轴承内外圈高度差时，理论计算出行星轮组件轴向游隙最小值应为0.52mm，最大值应为0.63mm；当考虑轴承内外圈高度差时，由式（1）知，行星轮组件轴向游隙值的范围应该为（1.19~1.30）mm，与表1游隙值测量结果是吻合的。为使行星轮组件轴向游隙值符合设计要求，根据式（1）将配油环厚度值减少，减少配油环厚度值后所对应的游隙值，如表2 所示。
 

 

　　相对表1 中C1、C2、C3 相应减少了0.77mm、0.63mm、0.77mm，游隙值相应减少了0.75mm、0.66mm、0.74mm。3 个行星轮组件轴向游隙值符合设计要求，使问题得到了解决。虽然配油环厚度减少量与相应游隙减少量存在（0.01——0.03）mm 的误差，这是由于测量过程中的误差是无法避免的。因此可以得出上述对游隙值偏大原因分析是完全正确的，即设计轴承游隙值时必须考虑轴承内外圈高度差，装配前须对每列轴承内外圈高度差进行测量。

 

　　5 总结

 

　　针对风电增速齿轮箱行星轮组件轴向游隙测量值偏大问题，从游隙测量方式、测量仪器、装配工艺，轴承内外圈高度差4个原因方面作了分析，尤其对轴承内外圈高度差对游隙影响进行了详细分析，在此基础上进一步推导出了配油环最终厚度值的计算公式，并验证了其正确性。轴承具有类型多而使用领域广泛的特点，在使用轴承时，尽可能多了解其结构特点、工作原理，以便正确使用，减少不必要的损失，从而提高轴承使用寿命。